（气象学专业论文）热带北印度洋和赤道海区东西水交换及其年际变化.pdf

摘要 作为热带大洋的重要组成部分，热带印度洋在全球气候系统中具有重要的 作用，其动力和热力过程的影响及其对气候变化的响应越来越受人们的重视。 在海洋的热力学参数中，海水的盐度对不同水团具有很好的示踪作用，它能通 过影响混合层和温跃层的深度使海表温度发生变化，从而影响海气系统。本文 采用海洋再分析资料、实测资料和卫星遥感资料，利用盐度收支方法研究了北 印度洋和赤道印度洋典型区域的上层海洋盐度的季节变化特征，从海洋动力学 角度分析了热带北印度洋和赤道海区东西水交换的季节变化特征和年际变化特 征，并对东西水交换年际变化的气候响应进行了探讨。主要研究结果如下： ( 1 ) 热带北印度洋表层盐度变化最显著的海域是阿拉伯海东南部和孟加拉 湾南部，这两海域表层盐度的季节变化都不能完全由海表淡水通量来解释。海 洋的平流输送是造成阿拉伯海东南海域盐度冬季降低、夏季升高的主要原因， 而淡水通量仅在夏季印度西侧沿岸区域造成盐度降低。受地理位置因素的影响， 阿拉伯海东南海域表层盐度的变化冬季明显强于夏季。孟加拉湾南部海域夏季 表层盐度升高主要由海洋平流输送引起，其余月份盐度降低，1 0 1 2 月主要由海 表淡水通量主导。阿拉伯海东南海域冬季表层盐度降低以及孟加拉湾南部海域 夏季表层盐度升高体现了北印度洋东、西两个海盆之间水体交换的季节性特征。 ( 2 ) 热带印度洋中部断面上海洋过程的分析表明东、西水交换存在两个相 互独立的过程，即赤道过程( 2 。s 2 。n ) 和北印度洋过程( 4 6 。n ) 。北印度 洋过程主要受季风影响，1 1 月至次年3 月表现出很强的低盐水向西输送，5 - 9 月则为高盐水向东输送，冬季风期间的输送较强，年平均有低盐水向西输送。 赤道过程分为表层过程和次表层过程，其中，表层赤道过程受局地风场驱动， 有明显的半年周期，4 。5 月和1 0 1 1 月的东向流把阿拉伯海的高盐水向东输送， 其余月份海流向西，携带孟加拉湾低盐水向西输送，向东的输送较强，全年有 净高盐水向东输送；次表层赤道过程没有明显的季节变化，海流全年一致向东， 将海盆西部的高盐水向东输送。北印度洋过程和赤道过程共同作用，北部将孟 i 加拉湾低盐水向西输送，赤道区域将高盐水向东输送，实现了热带北印度洋及 赤道海区的东、西水交换。 ( 3 ) 北印度洋过程和赤道过程有明显的年际变化特征，与厄尔尼诺事件和 印度洋偶极子0 0 d ) 事件关系密切，1 9 7 9 2 0 0 7 年的l1 月份赤道海区纬向流与 d m is o n 及n i n 0 3 4n d j 指数的同期相关系数分别为。0 7 6 和0 7 5 。对典型厄 尔尼诺事件和i o d 事件的个例分析表明，在厄尔尼诺盛期，赤道区域出现异常 纬向翻转流，表层有异常西向流，次表层为异常东向流，表层异常流减弱了表 层赤道过程对高盐水的向东输送，次表层异常流则加强了赤道次表层过程对高 盐水的向东输送。对典型厄尔尼诺事件发生时的赤道过程和北印度洋过程的合 成分析，证实了在厄尔尼诺爆发当年的盛期，赤道表层过程的东向的高盐水输 送及北印度洋过程西向的低盐水输送都减弱了，前者由赤道异常纬向翻转流引 起，后者与冬季风减弱有关；而次表层异常向东流导致赤道次表层过程东向的 高盐水输送加强。 热带北印度洋和赤道印度洋的东、西水交换特征反映了区域风场的影响， 其年际变化体现了海洋过程在典型气候事件中的动力作用。研究热带印度洋的 水交换特征及其对气候的响应，对我们理解海洋动力过程在海气系统中地位和 影响有着重要的现实意义。 关键词：热带北印度洋：赤道海区；东西水交换；年际变化；气候响应 i v a b s t r a c t t h et r o p i c a li n d i a no c e a n ，a so n ei m p o r t a n tp a r to ft h et r o p i c a lo c e a ni nt h e w o d d ，i t st h e r m o d y n a m i ca n dd y n a m i cp r o c e s s e sh a v ei m p a c to nt h eg l o b a lc l i m a t e a so n eo ft h eo c e a nt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r , s a l i n i t yi sa g o o dt r a c e rf o rw a t e r m a s s t h r o u g hi t sr o l ei nt h em i x e dl a y e ra n dt h et h e r m o c l i n e ，s a l i n i t ym a yh a v e i n f l u e n c eo nt h eo c e a ns t r a t i f i c a t i o na n dt h u sh a v ei n d i r e c ti n f l u e n c eo nt h es e a s u r f a c et e m p e r a t u r e t h el a t e rm a yh a v eaf u r t h e ri m p a c to nt h ea i r - s e as y s t e m b a s e do nt h eo c e a nr e a n a l y s i sd a t as e t s ，o b s e r v a t i o n sa n ds a t e l l i t ed a t a ，t h es e a s o n a l a n di n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo fz o n a lw a t e rm a s se x c h a n g ei nt h en o r t ha n de q u a t o r i a l i n d i a no c e a ni sa n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n t e r a n n u a l v a r i a b i l i t yo f w a t e rm a s se x c h a n g ea n dc l i m a t ei sa l s os t u d i e d t h em a i n l yr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h en o r t hi n d i a no c e a n ( n i o ) s u r f a c el a y e r w a t e rm a s se x c h a n g ei s r e m a r k a b l ei nt h es o u t h e a s t e r na r a b i a ns e aa n dt h es o u t h e r nb a yo fb e n g a l i nt h e s e a r e a s ，t h es u r f a c ef r e s h w a t e rf l u xc o n t r i b u t e st ot h es a l i n i t yv a r i a t i o ni nl i m m i t e dw a y t h es a l i n i t yb u d g e ti nt h es o u t h e a s t e r na r a b i a ns e as h o w st h a tt h eh o r i z o n t a l a d v e c t i o nd o m i n a t e st h es a l i n i t yv a r i a t i o n ，d e c r e a s i n gt h es a l i n i t yi nt h es u r f a c el a y e r i nw i n t e ra n di n c r e a s i n gi ti ns u m m e r , e x c e p tf o rc o a s t a lr e g i o no f fw e s t e r ni n d i a , w h e r et h es a l i n i t yr e d u c e db ys u r f a c ef r e s h w a t e rf l u xi ns u m m e r t h es a l i n i t y v a r i a t i o no ft h es u r f a c el a y e ri sp r o m i n e n t l yl a r g e ri nw i n t e rt h a ni ns u m m e r i n s u m m e r , t h es a l i n i t yi n c r e a s ea tt h es o u t h e r nb a yo fb e n g a li sn o td u et ot h es u r f a c e f r e s h w a t e rf l u x ，b u tt h eh o r i z o n t a la d v e c t i o n t h es a l i n i t yd e c r e a s e si nt h er e s to ft h e y e a r , a n ds u r f a c ef r e s h w a t e rf l u xl e a di td u r i n go c t o b e rt od e c e m b e r t h es u r f a c e s a l i n i t yi sr e d u c e db yt h eh o r i z o n t a la d v e c t i o no ft h es o u t h e a s t e r na r a b i a ns e ai n w i n t e ra n di n c r e a s e di nt h es o u t h e r nb a yo fb e n g a li ns u m m e r , w h i c hi st h em a j o r v f e a t u r eo f t h ez o n a lw a t e rm a s se x c h a n g ei nn i o ( 2 ) b ya n a l y z i n gt h ez o n a lw a t e rm a s se x c h a n g ea t7 8 0 es e c t i o n ，w ef i n dt w o i n d e p e n d e n tp r o c e s s e si nt h ee q u a t o r i a li n d i a no c e a n ( e i o ，2 0 s - 2 。a n dt h en i o ( 4 0 - 6 。n ) ，r e s p e c t i v e l y t h en i op r o c e s si sm a i n l yi n d u c e db ym o n s o o nc u r r e n t f r o mn o v e m b e rt om a r c h ，w h i c ha d v e c t sl o w - s a l i n i t yw a t e rw e s t w a r d ，a n dd u r i n g m a y s e p t e m b e rt h eh i g h - s a l i n i t yw a t e ri sc a r d e dt ot h ee a s t t h ew e s t w a r da d v e c t i o n i ss 仃o n g e rt h a nt h ee a s t w a r d ，s ot h ea n n u a lm e a ns h o w sw e s t w a r d t h ee i o p r o c e s s c a l lb ed i v i d e di n t ot h es u r f a c ea n dt h es u b s u r f a c ep r o c e s s t h es u r f a c ee q u a t o r i a l p r o c e s sd r i v e nb ye q u a t o r i a lw i n di sc h a r a c t e r i z e db yas e m i a n n u a lc y c l e d u r i n g a p r i l - m a ya n do c t o b e r - n o v e m b e r , t h eh i g h - s a l i n i t yw a t e r o fa r a b i a ns e ai s t r a n s p o r t e de a s t w a r d ，a n dt h el o w - s a l i n i t yw a t e ro fb a yo fb e n g a lw e s t w a r di nt h e o t h e rm o n t h s t h ea n n u a lm e a na d v o c t i o ni se a s t w a r d t h eh i g h - s a l i n i t yw a t e ri s e a s t w a r dc o n v e y e di nt h ee q u a t o r i a ls u b s u r f a c ea l ly e a ra r o u n d t h et w op r o c e s s e si n n i oa n de i oe x c h a n g et h ew a t e rm a s sb e t w e e nt h ee a s t e r na n dw e s t e r ni n d i a n o c e a n ( 3 ) t h ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo ft h ew e s t e a s tw a t e rm a s se x c h a n g ei nt h e t r o p i c a ln i oa n d e i oi s s i g n i f i c a n t t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n t h e e q u a t o r i a lm e a nw e s t - e a s tc u r r e n ti nn o v e m b e rf r o m l9 7 9 2 0 0 7a n dt h ed m i s o n n i n 0 3 4 一n d ji s 一0 7 6 - 0 7 5 i np h a s e t h ec a s es t u d i e so ft h ee ln 试oa n di o d e v e n t si n d i c a t et h a ta l la n o m a l yz o n a lo v e r t u r n i n gc u r r e n ta p p e a r si ne q u a t o r i a la r e a d u d n gt h em a t u r ep h a s eo fe 1n i _ f i o t h ea b n o r m a ls u r f a c ew e s t w a r dc u r r e n ta n dt h e s u b s u r f a c ee a s t w a r dc u r r e n td e e p l yi m p a c to nt h ew a t e rm a s se x c h a n g e t h e a d v e c t i o no ft h eh i g h s a l i n i t yw a t e rb ys u r f a c ee q u a t o r i a lp r o c e s si sw e a k e n e d w h e r e a st h ea d v e c t i o no ft h eh i g h s a l i n i t yw a t e rb ys u b s u r f a c ee q u a t o r i a lp r o c e s si s s 仃e n g t h e n e d t h ee ln i f i oa n di o de v e n t sd e c r e a s et h ee a s t w a r dh i g h s a l i n i t y a d v e c t i o nb yw e a k e n i n gt h es u r f a c e e q u a t o r i a lp r o c e s sw i t ha n o m a l yz o n a l v i o v e r t u r n i n gc i r c u l a t i o na n dw e s t w a r dl o w - s a l i n i t ya d v e c t i o nb yn i op r o c e s sw h i c h i sa f f e c t e db yt h ew e a k e n i n go ft h ew i n t e rm o n s o o n i ti n c r e a s e st h ee a s t w a r d h i g h s a l i n i t ya d v e c t i o nb ys t r e n g t h e n i n gt h es u b s u r f a c ee q u a t o r i a lp r o c e s sw i t ht h e a n o m a l yz o n a lo v e r t u r n i n gc i r c u l a t i o n t h es e a s o n a lv a r i a b i l i t yo ft h ew e s t e a s tw a t e rm a s se x c h a n g ei nn i oa n de i o r e f l e c tas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ft h er e g i o n a lw i n d t h ei n t e r a n n u a lv a r i a t i o ns h o w s t h a tt h eo c e a nd y n a m i c a lp r o c e s si si m p o r t a n ti nt y p i c a lc l i m a t ee v e n t s af u l l k n o w l e d g eo nt h et r o p i c a li n d i a no c e a nw a t e rm a s se x c h a n g ea n dt h ei n f l u e n c et o c l i m a t ev a r i a b i l i t yh e l p st ou n d e r s t a n dt h er o l ea n di m p a c to ft h eo c e a nd y n a m i c p r o c e s si nt h ea i r - s e as y s t e m k e yw o r d s ：t r o p i c a ln o r t hi n d i a no c e a n ，e q u a t o r i a lr e g i o n ，w e s t - e a s tw a t e rm a s s e x c h a n g e ，i n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t y , c l i m a t i cr e s p o n s e 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以搿求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外所有试验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：乡氓壬乙 日期： 竺! ：。c ：p 学位论文使用权说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其他指定机构送交论文的电子版和纸质版；有 权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：主墨圣至兰 日 期：幽巴：玉。竺 1 1 研究意义 第一章绪论 印度洋北侧被亚洲大陆所包围，其向北的热输运受阻。亚洲大陆驱动了地 球上最强的季风系统，季风激发的海流具有很强的季节变化特征，随季节变化 而发生反转，这使得印度洋在很多气候因素上与大西洋、太平洋存在较大的差 异。 印度洋缺乏稳定的赤道东风，沃克环流上升支长期稳定在海洋大陆区域， 这导致了在气候态中赤道东印度洋地区海洋上升流不明显。印度洋的主要上升 流区位于北半球的非洲沿岸、阿拉伯半岛西北部沿岸、印度半岛南部顶端东西 两侧以及南半球的东南信风北部边缘地区( 见图1 1 ) 。这也和其它大洋有所不 同。 北印度洋表层环流系统具有很强的季节性特征( s c h o t t 和m c c r e a r y ，2 0 0 1 ： s c h o t t 等，2 0 0 9 ) 。夏季风期间表现为西南季风环流( 图1 1 ) ，南赤道流和东非 沿岸流为向北的索马里海流提供补充。索马里海流越赤道后在4 。n 附近形成离 岸流，部分海水通过南部涡流穿越赤道向南流，北部形成大回旋，再往北形成 一个索科特拉涡旋( s o c o t r a e d d y ) 。西南季风海流在斯里兰卡以南向东流，到 孟加拉湾后转向北，构成北印度洋夏季风期间的顺时针环流分布 ( v i n a y a c h a n d r a n 等，1 9 9 9 a ) 。北半球冬季风爆发后( 图1 2 ) ，索马里海流转向 南，与向北的东非沿岸流在2 - 4 。s 的区域内相遇，共同为向东的南赤道逆流提 供补充。东北季风海流跨越海盆向东流，构成北印度洋冬季风期间的逆时针环 流分布( b r u c e 等，1 9 9 4 ) 。赤道海区在风场的驱动下海流表现出半年周期特征， 4 - 6 月和1 0 1 1 月有较强的东向流，其余时段为西向海流。 印度洋北部上升流由浅层跨赤道环流提供，与其它大洋不同，该环流承载 了大部分的跨赤道热输送。s c h o t t 等( 2 0 0 4 ) 发现印度洋浅层跨赤道环流对南 北向物质和能量交换起重要作用；l e e ( 2 0 0 4 ) 研究了南印度洋浅层翻转流和跨 赤道海流的年际变化，指明该子午环流对印度洋上层热含量和气候变化造成重 要影响。 热带印度洋东、西两侧盐度差异较大，受蒸发和降水的影响，西部海水盐 度显著偏高，东部海水盐度偏低。显然，北印度洋季风海流和赤道海流会对东、 西水交换产生重要影响。研究热带北印度洋和赤道海区东西水交换及其年际变 化的气候响应具有重要的实际意义。 1 2 研究进展 1 2 1 印度洋相关大型研究计划 在过去几十年里，开展了许多关于印度洋的研究工作。1 9 6 4 - 6 6 年间的国际 印度洋考察计划( i n t e r n a t i o n a li n d i a no c e a ne x p e d i t i o n ，h o e ) 对印度洋进行了 首次探索。该计划完成了海盆尺度上的相关测量，绘制了全面的水文地图集 ( w y r t k i ，1 9 7 1 ) ，还进行了一系列区域研究。接下来，在第一次g a r p 全球实验 ( f i r s tg a r pg l o b a le x p e r i m e n t ，f g g e ) 期间的印度洋实验( i n d i a no c e a n e x p e r i m e n t ，i n d e x ) 期间，重点研究了索马里海流对夏季风的响应( s w a l l o w 等，1 9 8 3 ) 。但之后的十年，并没有大型的组织或机构对印度洋进行系统的研究， 仅有个别团队的研究仍在继续。2 0 世纪九十年代初期，世界大洋环流实验( w 0 r l d o c e a nc i r c u l a t i o ne x p e r i m e m ，w o c e ) 对印度洋的研究活动取得了新的进展。 该实验获得了水文要素和不同航线分布的高质量数据，同时还通过船用声学多 普勒海流剖面仪和声学多普勒海流剖面仪获得了海流深度廓线。此外， 1 9 9 4 1 9 9 6 年间全球联合海洋通量研究( j o i n tg l o b a lo c e a nf l u xs t u d y ，j g o f s ) 在阿拉伯海北部有一个大型的观测项目，该项目包括对季风响应和混合层加深 的研究( w e l l e r 等，1 9 9 8 ；l e e 等，2 0 0 0 ) ，以及对区域环流和阿曼沿岸上升流等 问题的强化研究( f l a g g 和k i m ，1 9 9 8 ；s h i 等，1 9 9 9 ) 。以上内容部分参照s c h o t t 2 和m c c r e a r y ( 2 0 0 1 ) 。 1 2 2 印度洋环流系统 关于印度洋季风海流的研究是一个热门课题。s w a l l o w 和b r u c e ( 1 9 6 6 ) 对 索马里海流的季风转换机制进行了探索。s w a l l o w 等( 1 9 8 3 ) 研究了索马里海流 对夏季风的响应。随后的研究包括一下几个方面：南赤道流汇入索马里海流形 成的边界流( s w a l l o w 等，1 9 8 8 ，1 9 9 1 ；s c h o t t 等，1 9 8 8 ) 、近赤道索马里海流季节特 征及其复杂的潜流系统( s c h o t t 等，1 9 9 0 ) 、印度边界流的区域特征( s h e t y e 等，1 9 9 0 ，1 9 9 1 b ) 以及澳大利亚西边界流( s m i t h 等，1 9 9 1 ) 。 最近几年，印度洋的海洋动力过程及其气候响应受到了人们的广泛关注。 s c h o t t 和m c c r e a r y ( 2 0 0 1 ) 综述了印度洋季风环流的观测结果、相关的理论研 究以及模式模拟结果。s c h o t t 等( 2 0 0 9 ) 概述了印度洋的环流体系以及现有的 气候现象和气候过程，并分析了可能存在的气候效应。s c h o t t 等( 2 0 0 4 ) 指出 印度洋跨赤道流连接了南印度洋下沉流区和北印度洋上升流区，在表层通过 e k m a n s v e r d r u p 流向南输送，它是印度洋南北半球物质和能量交换的主要方式。 l e e ( 2 0 0 4 ) 发现南印度洋浅层翻转流在最近1 0 年内减弱，这将对印度洋1 0 年 时间尺度的气候变化产生影响。 1 2 3 资料和模式研究进展 在资料获取方面，随着志愿观测船、g e o s a t 卫星高度计观测( p e r i g a u d 和 d e l e c l u s e ，1 9 9 2 ) 、海表浮标观测( m o l i n a r i 等，1 9 9 0 ) 和投弃式深温计( x b t ) 等新的观测方式和技术的采用，更多的数据资料被获取。 随着基础观测数据的增多，为了解释观测现象，相关理论和模式研究也逐 渐发展起来。许多研究曾致力于解释索马里海流对季风爆发的响应。自从 l i g h t h i l l ( 1 9 6 9 ) 研究发现赤道波反射原理的可能影响之后，又有一系列研究发 现不同风场、边界倾斜以及来自南半球的跨赤道海流的惯性效应都对印度洋环 流起着重要的作用a n d e r s o n 和m o o r e ，1 9 7 9 ；c o x ，1 9 7 9 ，1 9 8 1 ；m c c r e a r y 和 k u n d u ，1 9 8 5 ，1 9 8 8 ) 。m c c m a r y 等( 1 9 9 3 ) 利用一个由风应力和气候热通量驱动 的两层半模式对整个季风环流做了全面分析，将模式结果与观测资料进行了对 比，他们指出孟加拉湾遥强迫作用对阿拉伯海环流具有重要作用。 过去的研究都是基于历史资料结合新观测数据的分析研究，模式的重点在 于研究季风环流的年际变化，这证实了印度洋有典型海气事件的发生。其中一 次发生在1 9 9 3 1 9 9 4 年，导致了1 9 9 4 年春季沿赤道向东的海流异常减弱( r e p p i n 等，1 9 9 9 ；v m a y a c h a n d r a n 等，1 9 9 9 b ) 。这使得东印度洋海表水温度变冷，海平面 高度降低，加强了来自太平洋的印尼贯穿流( p o t e m r a 等，1 9 9 7 ) 。另一次更强的 事件发生在1 9 9 7 1 9 9 8 年，该事件最显著的特点是沿赤道表现为东风，在东部 形成一个冷楔，类似于其余大洋的上升流区，说明在印度洋海域内可能存在着 海气局地相互作用模式( w e b s t e r 等，1 9 9 9 ；s a j 等，1 9 9 9 ；m u r t u g u d d e 等，2 0 0 0 ) 。 本节内容部分s c h o t t 和m c c r e a r y ( 2 0 0 1 ) 。 1 3 热带印度洋气候特征概述 1 3 1 气候态年平均特征 印度洋是典型的热带海域，位于亚奥季风区，其气候态要素特征显著。图 1 3 a 描述了热带印度洋气候态年平均的风场、净淡水通量和海表获得的狰辐射 通量。如图所示，在l o o s 以南的印度洋地区全年盛行东南信风，风场稳定。1 0 0 s 以北地区风场变化较大，风向随季节变化而转向，夏季盛行西南季风。印度洋 赤道区域风场与其他热带大洋不同，没有持续东风，气候态年平均图上表现为 弱的西风气流。 1 0 0 s 以南，由于东南信风盛行，海表蒸发很强，气候态年平均蒸发量大于 降水量。1 0 0 s 以北的赤道印度洋和孟加拉湾地区全年降水丰富，气候态年平均 降水量大于蒸发量，海表获得淡水。赤道稍偏南海区获得净淡水通量最多，主 要是由于该区域位于暖池上升气流区，对流强盛，降雨量丰富。索马里沿岸和 4 阿拉伯海地区由于风场的影响蒸发很强，海表净损失淡水通量。整个热带印度 洋海区都表现为获得热量，赤道地区获得热量最多，越向两侧越少。 受风场驱动，如图1 3 b 所示，l o o s 以南的印度洋地区为向西的南赤道流， 南赤道流到达马达加斯加后分为两支，向北的一支为东北马达加斯加流，它到 达非洲沿岸后汇入东非沿岸流；向南的东南马达加斯加流到达马达加斯加南部 后，部分卷入小涡旋和偶极子中，然后移向非洲海岸，另外部分在马达加斯加 东侧返回，最终汇入东北马达加斯加流。赤道区域表层海流向东，到达东部沿 岸后转向南，在爪哇岛以西的海域与南赤道流汇合。在多年平均的气候态中，4 0 n 附近有北赤道流，阿拉伯海和孟加拉湾海域表现为顺时针方向的环流，具有夏 季风期间的环流特征。 图1 3 b 中阴影表现了热带印度洋海表盐度的分布。受蒸发和降水的影响， 热带印度洋东、西海盆的海水盐度存在着较大的差异。西部海水盐度偏高，阿 拉伯海北部和红海地区盐度高达3 6 p s u 以上，是世界上盐度最高的海区。东部 盐度偏低，孟加拉湾夏季风期间有较强的降水，且有丰富的淡水径流输入，盐 度普遍低于3 4 p s u ，并且白南向北递减，在孟加拉湾北部沿岸低至3 0 p s u 以下。 在年平均流的作用下，赤道区域有自西向东的咸水舌，受印尼贯穿流影响赤道 以南区域有自东向西的淡水舌，在阿拉伯海东南海域沿岸有淡水舌向北延伸。 这样的表层海水盐度和对应的流场分布特征表明热带印度洋纬向上存在很强的 水体交换。 从气候态年平均的垂向分布( 图1 4 ) 来看，4 0 1 , 4 ( 图1 4 a ) 上层2 0 0 m 海 流为西向流，即北赤道流，在表层最强。海水盐度西高东低，西部高盐水中心 位于次表层，东部低盐水中心位于表层，北赤道流的作用是使东部表层低盐水 向西扩展。赤道( 图1 4 b ) 上层2 0 0 m 海流向东，即为赤道逆流，该流的最大 流速位于次表层，它把西部的次表层高盐水向东输送。 从气候态平均来看，海表淡水通量是导致印度洋东西盐度差异的主要原因， 区域风场则是驱动海洋环流的重要因素。在北赤道流和赤道逆流的作用下，北 5 印度洋东部表层低盐水向西扩展，赤道地区次表层高盐水向东扩展。 1 3 2 季节变化特征 印度洋气候的季节变化模态非常强，图1 5 为气候态2 、5 、8 、1 1 月平均的 净淡水通量、净辐射通量和风场分布，分别代表了冬春夏秋四个季节对应的气 候态。如图所示，热带印度洋雨带随季节变化南北移动，冬季雨带位于南半球， 夏季位于北半球，春秋季节雨带沿赤道对称分布。雨带所覆盖的区域也就是海 表获得淡水的区域。在南半球东南信风控制区以及阿拉伯海西南部海域全年蒸 发大于降水，海表淡水流失。热带印度洋除春夏季节1 0 0 s 以南的区域以及秋冬 季节1 0 0 n 以北的区域有弱的热量损失外，其余都表现为获得净热通量。 从风场来看，1 0 0 s 以南，印度洋东南信风的北部边缘在北半球的夏秋( 冬 春) 季节向北( 南) 移动，夏季，东南信风位置达到最北，强度最强。印度洋 赤道风场表现为明显的半年周期，在春季和秋季表现为西风，激发出年平均状 态下赤道纬向向东的风应力，使赤道海区海表温度较高。这不同于其它热带大 洋，太平洋和大西洋在赤道盛行东风，在赤道地区存在自东向西的冷舌，在冬 季和夏季表现为弱的偏东风。 北印度洋是典型的季风区，冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风。与冬 季的风场不同，夏季的风场可以看作是南半球东南信风跨越赤道转向所形成。 这一气流在大气中被称作f i n d l a t e r ( 1 9 7 1 ) 急流。在季风风场作用下，北半球 风应力旋度随季节变化发生显著转向。夏季风期间，1 5 0 s 以北的赤道印度洋和 大部分阿拉伯海地区受反气旋性旋度控制，反气旋性旋度大值带位于阿拉伯海 中部，f i n d l a t e r 急流轴的右侧。冬季风期间转变为气旋性旋度。在孟加拉湾西 部，夏季为气旋性旋度，冬季为反气旋性旋度。印度洋的风场很特别，与其它 热带大洋差异较大。 热带印度洋海流受风场影响很强，表现出显著的季节性特征。如图1 6 ，在 风场驱动下，1 0 0 s 以南的印度洋海区全年受稳定的向西的南赤道流控制。北印 6 度洋表现为很明显的季风环流，夏季风期间为西南季风海流，冬季风爆发后转 向为东北季风海流，这在图1 1 1 2 中有很好的显示。赤道海流有明显的半年周 期，冬夏( 春秋) 季节海流向西( 向东) 流。 热带印度洋的海流对东话部海水具有明显的输送作用。从图1 6 中可以清楚 地看出，在夏季，北印度洋季风海流把阿拉伯海高盐水向东输送到达孟加拉湾 南部海域；在冬季，则将来自孟加拉湾北部的低盐水向西输送到阿拉伯海东南 海域。赤道海流在冬夏季节将赤道东部低盐水向西输送，在春秋季节将西部高 盐水向东输送。 从赤道地区海流和盐度的垂向分布( 图1 7 ) 来看，赤道表层海流冬夏( 春 秋) 季节向西( 东) 流，东向流明显强于西向流。次表层海流全年向东流，冬 夏季节海流强度较强。表层海流冬夏季节将东部表层低盐水向西输送，春秋季 节将西部高盐水向东输送。盐度高值中心位于次表层，次表层赤道流将高盐水 向东输送。北印度洋季风海流主要发生在表层，次表层海流很弱。 1 4 研究内容和特色 印度洋南北向的水体和热量交换主要是通过跨赤道环流来实现的，前人对 印度洋季风流的机制进行了很多探索，但很少有研究针对热带北印度洋和赤道 海区的东、西水交换。本文重点研究了热带北印度洋和赤道海区东、西水交换 及其年际变化，研究主要包括以下三个部分： 1 ) 选取最能表现北印度洋东、西水交换的两个区域：阿拉伯海东南海域和孟加 拉湾南部海域，分别对这两个典型区域做上层海水的盐度收支分析，解释海洋 动力过程在局地海水盐度变化中的作用。 2 ) 对热带印度洋中部7 8 0 e 断面两侧的水体性质进行比较，分析通过断面的海 流的季节变化特征及其主导的东西水交换的季节变化特征。 3 ) 研究北印度洋过程和赤道过程水交换的年际变化，分析他们对厄尔尼诺事件 和印度洋偶极子( i o d ) 事件的响应。 7 本文的特色主要包括以下两个方面：1 ) 较为系统地研究了热带北印度洋和 赤道海区东西水交换动力过程的季节特征和年际特征。2 ) 通过对厄尔尼诺事件 和i o d 事件发生时海洋过程异常状况的分析，明确了热带北印度洋和赤道海区 海洋过程年际变化的气候响应。 2 1 资料 2 1 1 主要研究资料 第二章资料和方法 美国马里兰大学简单海洋同化模式( s i m p l eo c e a n d a t a a s s i m i l a t i o n ， s o d a ) 采用了海洋环流模式，该模式基于地球物理流体力学实验室( g e o p h y s i c a l f l u i dd y n a m i c sl a b o r a t o r y ，g f d l ) 的模块化海洋模式( m o d u l a ro c e a nm o d e l ， m o m ) 以及并行海洋模式( p a r a l l e lo c e a np r o g r a m ，p o p ) 的并行算法，它对 三维原始方程做了静力平衡和布西奈斯克近似( b o u s s i n e s qa p p r o x i m a t i o n ) ( c a r t o n 等，2 0 0 0 ；c a r t o n 和g i e s e ，2 0 0 8 ) 。 由于实验方案不同，s o d a 资料由很多版本组成，其中2 o 版本由三部分组 成。s o d ap o p 2 0 2 采用由欧洲中期天气预报中心提供的e r a 4 0 大气再分析资 料中的逐日风应力和热通量驱动，资料时间跨度从1 9 5 8 年1 月至u 2 0 0 1 年1 2 月。该 版本中模式同化的观测资料包括了几乎所有可用的水文廓线数据、海洋站点资 料、锚定温盐时间序列、各种海表面温盐数据以及夜间红外卫星遥感观测的海 表面温度资料。s o d ap o p 2 0 3 版本产品从2 0 0 0 年1 月至1 j 2 0 0 4 年1 2 月，模式改用 q u i k s c a t 厉l , 场驱动。s o d a _ p o p 2 0 4 版本在s o d a _ p o p 2 0 3 版本基础上做了两个 方面的改进。一方面它把由伍兹霍尔海洋研究所( w o o d sh o l eo c e a n o g r a p h i c i n s t i t u t i o n ，w h o d 提供的a r g o 资料在大西洋上的部分进行了重组。另一方面， s o d a _ p o p 2 0 4 版本更新至u 2 0 0 7 年1 2 月。本文采用ts o d a _ p o p 2 0 2 和 s o d a9 0 p 2 0 4 版本的资料。s o d a 表层淡水通量由全球降水气候学项目 ( g p c p ) 提供的月平均卫星轨道融合产品结合蒸发资料计算得到，时间从1 9 7 9 年1 月至u 2 0 0 7 年1 2 月。因此，本文选取了对应时段的s o d a 资料进行研究。 s o d a 提供了一种基于最优插值数据同化的约束算法来对观测资料进行同 化，每1 0 天进行一次。为了降低同化引起的误差，s o d a 还在每个时间步长上进 9 行逐步校正，并设置了一个9 0 天的资料窗口。这两种方法的使用抑制了人为重 力波的发展，确保了质量和动量场的地转平衡近似( c a r t o n 等，2 0 0 0 ；c a r t o n 和 g i e s e ，2 0 0 8 ) 。为了解决动量、热量和盐度的垂向耗散问题，s o d a 还设计了 k p r o f i l e 参数化( 巾) 混合方案。 模式的计算区域延展到南北两极，水平分辨率为0 4 。x 0 2 5 。垂直间隔 从上层的1 0 m 变化至u 5 0 0 m 层上的l o o m ，在接近大洋底部时变化为5 0 0 m ，总的垂 向层次为4 0 层( 表层5 0 0 m 有1 9 层) ，最大深度为5 6 2 4 m 。海底地形通过( 1 3 0 ) 的分析资料在特定海峡进行修正后重构得到。 本文中使用的模式输出资料以月平均的形式插值到0 5 。0 5 。x 4 0 的均 匀格点上。d u 和q u ( 2 0 1 0 ) 指出，这样的插值技术会